3) Миграция радионуклидов в биосфере, особенности перехода по кормовым цепочкам

В случае корневого поглощения радионуклидов растениями интенсивность включения их в процессы миграции по биологическим цепям определяется типом почвы и физико-химической природой элемента. Скорость и размеры корневого усвоения радионуклидов растениями определяются растворимостью радиоактивных веществ, физико-химическими свойствами почв и физиологическими особенностями растений. Так как радионуклиды разных элементов сорбируются почвенно-поглощающим комплексом не одинаково, то и перенос их из почвы в растения происходит различно.

Накопление радионуклидов растениями зависит от типа почв: хуже они всасываются из сероземов и черноземов, а лучше всего из торфоболотных и легких почв (песчаные и подзолистые); красноземы и лугово-карбонатные почвы занимают промежуточное положение.

При внекорневом пути поступления более подвижным является ¹³⁷Cs. Поступление ⁹⁰Sr и других радионуклидов происходит при этом в десятки раз медленнее. При корневом

поступлении наиболее подвижным является ⁹⁰Sr. ¹³⁷Cs сильнее сорбируется почвой и поэтому в относительно меньших количествах переходит из почвы в растения.

По корневому пути из почвы во все последующие годы после выпадения радионуклидов происходит загрязнение грибов, ягод, дикорастущих плодов, лекарственных и кормовых растений.

В луговых почвах радионуклиды адсорбированы в слое дернины 0...5 см, миграция их по профилю почвы происходит очень медленно. На лугах, загрязненных чернобыльскими выбросами, после распада короткоживущих радионуклидов радиоактивность обусловливается в основном ¹³⁷Cs, ⁹⁰Sr.

При содержании 90Sr в почве до 30 Ки/км² в растениях накапливается его от 2,2...10–7 до 4,6*10^–8 Ки/кг. Это очень высокое загрязнение. Наблюдения показали, что растения естественных кормовых угодий всегда обладают более высокой удельной радиоактивностью, чем сеяные травы и различные сельскохозяйственные культуры. Объясняется это тем, что радионуклиды в почвах естественных кормовых угодий сосредоточены в основном в слое 0...5 см, создавая там высокую концентрацию радиоактивных изотопов в единице объема почвы. При перепашке почвы происходит разбавление концентрации радионуклидов и создаются условия для их меньшей усвояемости растениями. Это подсказывает путь улучшения естественных кормовых угодий в условиях радиационного загрязнения.

За счет корневого поступления в основном происходит накопление радионуклидов и в древесине. Так, через 6 лет после чернобыльских выпадений содержание радионуклидов в древесине возросло в 5...15 раз.

По способности к накоплению растениями радионуклиды образуют ряд: ⁶⁵Zn (цинк) > ⁹⁰Sr, ¹³⁷Cs, ⁵⁹Fe > ¹⁴⁴Ce (Церий), ¹⁰⁶Ru (Рутений), ⁹⁵Zr Цирконий > ²³⁹Pu, ¹⁴⁷Pm (Прометий), ⁹¹Y (иттрий), ²³⁵U (уран).

Большинство искусственных радионуклидов прочно сорбируются почвенным поглощающим комплексом и включаются в биологический круговорот в сравнительно небольших количествах. Исключение составляют ⁶⁵Zn, ⁸⁹Sr, ⁹⁰Sr, отличающиеся наибольшей подвижностью в системе «почва -растение». Например, коэффициент накопления ⁶⁵Zn при переходе из воды в почву, а затем в траву пастбищ равен 440(мкКи/г сырого вещества)/(мкКи/мл воды), а цезия, кобальта и церия - лишь 0,19; 0,07 и 0,03 соответственно. Из большинства типов почв поступление ¹³⁷Cs в растения, как правило, меньше или соизмеримо с поступлением ⁹⁰Sr. Но в определенных почвенно-климатических условиях перенос ¹³⁷Cs из почв Белорусско-Украинского Полесья в растения может значительно превосходить перенос ⁹⁰Sr. На легких по механическому составу песчаных почвах накопление ¹³⁷Cs растениями в 40...50 раз больше, чем ⁹⁰Sr.

Из растворов поглощение корнями растений радионуклидов происходит в больших количествах, чем из почв. По интенсивности поступления из водных растворов в растения пшеницы радионуклиды располагаются в следующем порядке: ¹³⁷Cs > ⁹⁰Sr > ¹⁴⁴Ce (церий) > ¹⁰⁶Ru (Рутений) > ⁹⁵Zr Цирконий.

При этом ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs активно перемещаются по всему растению, а ¹⁰⁶Ru и ⁹⁵Zr накапливаются преимущественно в корнях и далее практически не транспортируются. По сравнению с водным раствором поступление радионуклидов к растениям из почвы резко уменьшается. Это уменьшение для ⁹⁰Sr составляет примерно 20 раз, для ¹³⁷Cs и ¹⁴⁴Ce -сотни и даже тысячи раз. Весьма малой миграционной способностью из почвы в растения отличаются ¹⁰⁶Ru и ⁹⁵Zr.

Поскольку фиксация радионуклидов почвенно-поглощающим комплексом происходит не одновременно, а растянуто во времени, доступность их растениям снижается постепенно. В первый год попадания в почву ⁹⁰Sr переход его в растения на 20...30% больше, чем в последующие годы. По сравнению со ⁹⁰Sr биологическая доступность из почвы растениям ¹³⁷Cs убывает со временем значительно быстрее. Так, усвоение ¹³⁷Cs растениями на второй год после поступления в почву снижалось в 3 раза, на третий - в 5 раз, а через восемь лет - в 10 раз. Наибольший эффект наблюдается на почвах, богатых глинистыми минералами, особенно иллитом и вермикулитом.

Наибольшей способностью накапливать 137Cs отличаются травостои естественных пастбищ и сенокосов. Это обусловлено, с одной стороны, аккумуляцией дерниной радионуклидов в наиболее доступной для растений форме, а с другой стороны, особенностями формирования корневой системы естественными лугопастбищными культурами по сравнению с полевыми корневыми культурами. Поскольку накопление радионуклидов в урожае сельскохозяйственных растений определяется концентрацией их в почве и биологической доступностью, коэффициенты пропорциональности для различных культур не одинаковы. При поверхностном загрязнении естественных кормовых культур одним ⁹⁰Sr, равным 1 мКи/км2, 1 кг сухого вещества естественных трав содержит 4,8 стронциевых единиц (с. е.), сеяных злаковых трав - 1,5, свеклы - 1,7, клубней картофеля - 1,56, а 1 кг зерна пшеницы - 0,8 с. е.

Поглощение радионуклидов растениями из почвы зависит также от ее состава. Почвы тяжелого механического состава отличаются большей поглотительной способностью, чем легкие. Существенное влияние на переход из почвы в растения ¹³⁷Cs оказывает содержание в ней органического вещества. Поступление этого радионуклида в растения из торфянистых почв превышает таковое из минеральных в несколько раз. Данный факт может иметь определенное значение при оценке загрязнения естественных и культурных сенокосов и пастбищ в целях разработки мероприятий по дезактивации и рационального их использования. В период массированных глобальных радиоактивных выпадений (1963–1964) было отмечено, что уровень загрязнения растений в северных районах существенно выше, чем в южных. В Северной Америке и в Скандинавии кормовые растения естественных пастбищ накапливали ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs в десять раз больше, чем аналогичные растения в южных странах. При этом из всех видов кормов зерновая продукция содержит наименьшее количество радионуклидов по сравнению с кормами из вегетативных органов растений.

Перенос питательных веществ между трофическими уровнями называют пищевой цепью. В природе пищевые цепи не изолированы одна от другой, а тесно переплетены и образуют сложную разветвленную сеть, которую называют пищевой сетью. Механизмы, с помощью которых растения и животные получают необходимые для их роста неорганические вещества из почвы, аналогичны тем механизмам, посредством которых радионуклиды поступают в биологические системы.

Таким образом, естественные и искусственные радионуклиды стабильных химических элементов также циркулируют в биосфере по характерным биологическим цепям, проникая из внешней среды в организмы, а затем снова возвращаясь во внешнюю среду.